第五章 木材的物理性质.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 木材的物理性质,木材的密度,木材的水分,木材的电学性质,木材的热学性质,木材的声学性质,第 一 节 木 材 的 密 度,一、密度与比重,密度,(density),：,有量纲，木材学中常用克,/,立方厘米,(g/cm,3,),或,千克,/,立方米,(kg/m,3,),；,比重,(specific gravity),：,是物质的密度与,4,C,的水分的密度的比值。在,4,C,时，水分的密度为,1 g/cm,3,或,1000 kg/m,3,，,所以在此条件下木材的密度与比重在数值上相等，且无量纲。,二、木材密度的种类,1,、生材密度,生材,(green wood),：,树木刚伐倒时的新鲜材。,2,、气干材密度,气干材,：,自然干燥的木材。,3,、全干材密度,全干材：在干燥箱内干燥至绝干的木材。,4,、基本密度,木材的基本密度,木材试样绝干重,/,试样饱和水分时体积,最常用的是气干密度和基本密度。,三、木材的细胞壁密度、实质密度和空隙度,1,、木材的细胞壁密度：,木材细胞壁的密度，不包括细胞腔等。,2,、木材的实质比重：,即木材物质或胞壁物质的比重，不包括木材的胞腔等空隙。范围：,1.461.56,，平均为,1.50,。,3,、木材的空隙度：,单位体积的木材减去木材物质所占的体积以及水所占的体积绝干材的空隙度,(%),(1,木材的绝干密度,/,木材的实质密度,)100%,。,以水作为置换介质得到的细胞壁密度大于以甲苯和氦作为置换介质得到的值。,这是由两个方面的原因引起的：,（,1,）水属于极性膨胀性介质，水分子可以进入细胞壁中更小的孔隙中；,（,2,）与液态水相比，吸着水的表观体积减小。,5.1.2,木材比重的测定,测定比重必须知道一定含水率时木材的体积以及木材的绝干重量。,在大多数情况下，绝干重量的测定与用绝干称重法测定含水率中所用的方法一致。,由于在干燥过程中抽提物可能和水蒸气一起蒸发，所以有时采用蒸馏法来得到绝干重量。,木材的体积的测定可以采用以下方法：,（,1,）对于形状规则的试材，直接测量试材的三边尺寸，计算出体积；,（,2,）对于形状不规则的试材，可以用排水法测量体积。,（,3,）快速测定法。,排水法,此法尤为适合测定不规则试样的体积。当测定气干材或全干材体积时，需在试样入水前涂上石蜡薄层，防止试样吸水而影响精度。,快速测定法,首先，在烧杯中加入适量液体，将金属针浸入液体中，记录天平的读数。,然后用金属针尖固定试材，将试材浸入液体中，再记录平衡时天平的读数。,两次天平的读数之差除以已知液体的密度，就可以得到试材的体积。,天平,试材,烧杯,金属针,支架,天平读数,图,6-1,用排水法测量木材的体积,量筒,液面,试材,图,6-2,快速测定法测量木材体积,水银测容器法,使用于测定不规则试样的体积。利用水银测容器，测定试样的体积,木材密度的变异及水分对它的影响,（一）木材密度的变异（,variation of wood density,）,影响木材密度的本身因子有树种、抽提物和取材部位等，外界因子有含水率。,1.,树种 不同树种的木材其密度差异很大，如：,麻栎密度较大：,0.93 g/cm,3,；,巴塞木密度较小：,0.12 g/cm,3,。,不同树种木材密度的差异原因主要是取决于木材中所含胞壁实质物质的多少。,木材密度大 空隙度小（胞壁物质多或壁厚）；,木材密度小 空隙度大（胞壁物质少或壁薄）。,2.,抽提物含量,一般，木材在胞壁率相同的条件下，浸提物愈多则密度愈大。,对于同一树种木材而言：,心材抽提物含量,边材,心材密度,边材密度,枝梢材抽提物含量,干材,枝梢材密度,干材密度,3.,木材在树干中的部位,同一树种木材，因在树干上的部位不同，木材密度也有较大的差异。,（,1,）沿树干高度的变化规律：通常在树干基部木材的密度最大，自树基向上逐渐减小，在树冠部位则略有增大。,（,2,）沿半径方向的变化规律：,针叶材：髓心最小，向外随树龄增大木材密度逐渐增大，半径方向至距树皮,1/2,处，密度达最大值，此后又逐渐下降。,阔叶材：,1,）具心材的环孔材：心材密度大，年轮宽度与密度成正相关关系，但靠近髓部及靠近树皮的部分，木材密度则较小。,2,）散孔材：自髓心向树皮方向木材密度逐渐增大。,（二）水分对木材密度的影响,1.,含水率在纤维饱和点以上变化时：,含水率变化 仅影响木材重量，而其体积不变,湿材密度与含水率呈正相关。,2.,含水率在纤维饱和点以下变化时：,含水率变化 重量和体积同时变化，但重量变化率大于体积胀缩率,气干材密度随含水率的增减变化比湿材慢。,年轮宽度与比重的关系,树 龄（年）,比重,以上,海拔,2000-2999,英尺,海拔,1000-1999,英尺,海拔,0-999,英尺,不同海拔范围的花旗松的密度与树龄之间的关系,(USDA,1965),第二节 木材和水分,生材与气干材中的水分,一、木材中水分的分类,（,1,）,化学水chemically combined water),存在于木材的化学成分中,，与组成木材的化学成分呈牢固的,化学结合,。但数量甚微（,5002000,2,、径向和弦向,（,1,）木射线组织的影响,对径向收缩的抑制作用。,木射线长轴方向与径向相一致，因其纵向收缩小于横向收缩，从而牵制了径向收缩，使得径向收缩小于弦向收缩。,（,2,）早、晚材收缩量差异的影响,晚材的干缩与湿胀量大于早材。,弦向,早、晚材并联，晚材的胀缩促使早材的胀缩率加大；,径向,早、晚材串联，早、晚材间没有相互的牵制作用。,（,3,）胞壁径面纹孔数量对径向收缩的影响。,由于管胞和纤维的径面上的纹孔数量较弦面壁为多，致使纹孔周围微纤丝的排列方向与细胞主轴的夹角变大，因而在径向收缩时会受到比较大的限制，使得径向收缩小于弦向收缩。,(4),单位尺寸的径面壁上胞间层物质和胞壁物质相对于弦面壁上的要少。,3,、差异干缩,相同条件下，木材的弦向和径向收缩的比值。,(,四,),木材干缩湿胀的影响因素,1,、方向,2,、树种,3,、密度,4,、晚材率,5,、应力木,6,、应力,(,五,),木材的干缩湿胀对木材加工和使用的影响,1,、,干缩应力,干燥过程中，由于内、外含水率梯度不同，形成内、外干缩的不均匀性，从而导致木材产生干缩应力。干缩应力可产生开裂现象,.,2,、木材的各种变形,图,6-12,木材中不同位置木材的不同变形,(1),翘弯,(2),顺弯,(3),横弯,(4),扭曲,图,6-13,木材的典型变形,（,1,）表面裂形成原因：木材干燥时，表层含水率先行下降到纤维饱和点以下而收缩，但表层内的木材含水率尚未降至纤维饱和点以下，并未收缩，从而限制表层不能充分收缩，使它受到拉伸力，而内层则受到压缩力，此即干燥内应力的第一阶段。如果木材表面、内层含水率梯度悬殊，必然造成内应力加大，当表层的拉伸应力超过木材在该含水率时垂直纹理的拉伸强度时，便会出现表面裂。,（,2,）内裂或蜂窝裂形成原因：如果木材表、内层的含水率梯度并不十分显著，尽管表层产生的拉伸应力已经超过了它的弹性极限，木材并不出现破坏，然而因其受到内层的牵制不能充分收缩而处于拉伸状态。在这种情况下，木材产生一种固着，即它不能再如正常状况随含水率变化而有胀缩。随着整体木材的含水率继续下降，内层已开始收缩，但此时反而要受到固着表层的牵制。于是原先表层所受的拉力转化为压力，而表层内的部分就会因表层的制约，由受压力转变为受拉力，此即干燥应力的第二阶段。当内部拉力超过了它的横纹抗拉强度时，木材就会产生内部开裂,内裂或蜂窝裂。,（,3,）端裂形成原因：木材端部水分蒸发的速度远较侧面快。当端部表面含水率迅速降至纤维饱和点以下，其内的水分含量却仍然保持较高时，这种含水率梯度在端部表面所产生的干燥拉应力超过木材的横纹强度时，就会出现端面开裂,端裂。,2.,翘曲变形 翘曲变形有横向和纵向两种。,（,1,）横向翘曲变形：形成的原因是在同一板材上径、弦向差异干缩引起的，表现为板材横断面形状的改变，改变的情况因与年轮之间的夹角大小而异。,凸形翘曲变形：含有髓心的径切板，两断弦向收缩的程度大于中央，使两材面呈凸形。,正常材：不含髓心的径切板，其宽度方向为径向收缩，厚度方向为弦向收缩，由于宽 度远大于厚度，不会出现翘曲和变形。,瓦状翘曲变形：宽板面与年轮呈,45,夹角的板材，干缩后产生不规则的瓦状翘曲。,长方形翘曲变形：正方形端面的方材，其年轮与方材两个边部平行者，收缩后变为长方形。,菱形翘曲变形：原端面为正方形，但与年轮成对角线者，收缩后成菱形。,椭圆形翘曲变形：圆形断面，收缩后呈椭圆形。,弦切板的瓦状翘曲变形：弦切板由于板材上下表面弦向程度不同，干缩后呈瓦状翘曲。,（,2,）纵向翘曲变形：是锯材面或材边形状发生改变。,原因：同一锯材上含干缩不一致的两部分木材（如正常材和应力木）所致。,锯材纹理有较大倾斜，前者可形成顺弯或边弯，后者则使材面不再平整而向四边扭曲,扭弯。,不合理的锯材堆放也可造成纵向翘曲变形。,(,六,),减小木材干缩湿胀的方法,1,、减小细胞壁的膨胀,(1),用极性较小或非极性基团取代,-OH,或其它方法降低,-OH,量，如：,热处理；,酯化：乙酰化，异氰酸酯化；,缩醛化；,醚化：丙烯腈，环氧化物等处理。,(2),用憎水物,(,疏水物,)覆盖自由表面，堵塞水的通道，阻止水分子进入细胞壁；,(3),充胀细胞壁：将某种物质浸入细胞壁内部，使其体积充分膨胀，永久性地保持充胀状态，而不受水分的影响。,如：,浸入无机盐和低分子有机物；,热固性树脂；,热塑性树脂；,乙酰化等。,2,、减小传递给外部尺寸的膨胀量，如：,胶合板；扒钉；板材的贴面。,七、木材中水分的移动,（一）,水分在木材内移动的通道,1.,相互连通的细胞腔,（阔叶材的导管，如无浸填体和树脂，则水和水蒸气可自由通过）；,2.,细胞间隙,（针、阔叶材均有，特别是射线组织内较多，对水分径向移动起很大作用）；,3.,纹孔膜上的小孔,；,4.,细胞壁上的微毛细管,。,（二）木材内水分移动的机理,1.,木材中水分移动的原因,毛细管作用；,液体或蒸汽不同压力的结果；,不均衡的水层或气体厚度 的影响。,因此，在木材中产生水位梯度，水位高的向水位低的移动。后二者对于木材干燥具有极为重要的意义。,移动动力：,外界的加压或加热引起的蒸汽压或压力梯度，毛细管张力，木材表面水分的蒸发。,2.,木材中水分的移动,（,1,）,含水率低于纤维饱和点时,水蒸汽的扩散移动,靠扩散移动而进行的水蒸汽,移动。,当木材含水率低于纤维饱和点时，木材内不含自由水，胞腔内充满了空气。由于木材表面水分的蒸发，在木材内形成了含水率梯度，并呈现出相应的水蒸汽分压梯度。在这种梯度作用下，水蒸汽开始沿着细胞腔并通过纹孔及纹孔膜上的小孔，由内向外扩散。,依靠毛细管张力和毛细管水的移动,由于木材表面水分的蒸发，使表面部分的毛细管张力变大，水层变薄，在毛细管内形成弯液面，从而产生毛细管张力差，促使吸着水沿着细胞壁内微毛细管系统从含水率高的部位向含水率低的部位移动。,蒸汽状态与液体状态的不断相互交替,邻近的细胞壁内的微毛细管与细胞腔形成的大毛细管之间，呈水蒸汽或液态水相互交替式移动。,（,2,）,含水率高于纤维饱和点时,细胞腔内的自由水呈液体状态。由于各个部位细胞腔内的水蒸汽压力是一致的，故木材中没有蒸汽状态的水分移动。此时，只可能有,依靠毛细管张力差所引起的液态水,自由水沿着细胞腔与纹孔的移动,。,当木材中有一部分已干燥到纤维饱和点以下时，刚开始时木材表层细胞向外蒸发水分，使胞腔内水膜厚度逐渐变小，使得毛细管内新月形液面的弯曲度急剧地增大，蒸发面与木材内部形成了毛细管张力差，促使自由水由内部细胞移向蒸发面，使蒸发面逐渐移向木材内部，通过上述三种水分传导方式，木材得以干燥。,五、木材的吸水性,(water-absorbing capacity of wood),1.,吸水性,（,water-absorbing capacity,）,指木材浸于水 中吸收水分的能力。,吸收水分的数量与木材在水中停留的时间有关。,2.,吸水速度,单位时间内木材吸水的数量。,3.,水容量或最大含水率（,Wmax,%,）,木材吸水的最大,量占干材重量的百分率。,最大含水率与木材密度有密切关系。密度愈大，木材可能吸收的最大含水率愈小。此外，木材的吸水性还与木材构造和内含物有关。针叶材含有树脂或阔叶材含有树胶的树种，都因此而减少其水容量。心材树种的水容量，一般心材往往因存在数量较多的浸填体或其他内含物，而使其水容量小于边材。,就吸水速度而言，密度小的树种快于密度大的树种，木材原有含水率越高，其吸水显然低于原有含水率低的状况。此外，顺纹方向的吸水速度也大于横纹方向。,4.,木材吸水性的测定：试样尺寸为,20,20,20,mm,，,放入烘箱内烘干并称重，将烘干的试样放入盛有蒸馏水的容器内，用一金属网上置以重物，使试样全部压入水面以下，水的温度应保持在,20,2,范围内。浸入后,6h,称重，以后经,1,、,2,、,4,、,8,、,12,、,20,昼夜各称重一次，次后每隔,10,昼夜进行称重，至最后两次含水率之差小于,5%,时，即可认为木材试样已充分吸水，并可结束测定。,木材吸水率：,A,试样的吸水率（,%,）；,m,试样吸水后质量（,g,）；,m,0,试样全干时的质量（,g,）,。,1,、自由水的移动,(1),移动途径：,阔叶树材：,主要为导管，通过穿孔,可能纹孔。导管内侵填体丰富以及其它树胶等物质对水分的移动阻力很大。,图,6,14,阔叶树材中水分的流动途径,针叶树材,：,主要为,管胞,，通过纹孔。纹孔的闭塞对水分移动的阻力很大。,针叶树材中水分的流动途径,管胞,2,、胞壁水的移动,1,、移动的途径：,(1),通过连续的细胞壁途径：,(2),通过断续的细胞腔细胞壁途径：,a.,以蒸汽形式通过细胞腔然后又进入细胞壁,;,b.,以蒸汽形式通过细胞腔然后通过纹孔,纹孔口、纹孔腔、纹孔膜,(,对针叶树材又包括纹孔塞和塞缘,),。,木材细胞壁中吸附水的移动,六、木材对液体的贯透性（,the penetration of wood for liquid,）,木材对液体的贯透性,指水分或其他液体在常压下或加压条件下透入木材的能力。,当木材与水分或液体接触时，其透入性包括两个方面：即吸收或贯透。,吸收,以单位体积木材吸收水分或液体的重量表示木材对水或液体吸收的多少。,贯透,以液体透入木材的深度表示。,生产中常要求木材尽量减少吸收量而有较大的贯透深度以节约药剂使用量。,影响水分或液体透入深度的因素：,（一）压力大小与加压时间,压力越大，则液体透入深度就越深，所需时间就越短。,当木材在具有一定温度的液体浸渍时，往往会使得木材组织软化，过高的压力就会降低木材的强度，影响制品的质量。理想的方法是在压力不大的情况下，增加加压时间，达到使处理剂透入至要求的深度，且不降低木材的强度。,（二）液体温度,提高液体温度会改善其流动性，使其易于透入木材，但不能过大地提高液体温度，否则会严重地降低木材强度。,（三）液体性质,盐类水溶液较油剂易于透入木材。同时，液剂粘度小比粘度大（如煤焦油等）要易于透入木材。,（四）树种,不同树种木材间由于构造上有差别，贯透性也有所不同。有的树种木材既有较大的管孔，又无浸填体堵塞，液体容易透入，如红栎类木材和榆木等。而白栎类木材和栗木等常具丰富的浸填体，对液体的贯透性就差些。,（五）心材和边材,一般说来，心材中具有较多的沉积物，它对液体的贯透性就小于边材。,（六）木纹方向,液体透入木材的深度，纵向大于横向。,（七）木材的含水状况,湿材的液体贯透性要小于干材，故要求贯透处理木材时，其含水率应在,25%,以下。,